近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等合作，依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（SHMFF），在二維新型量子磁體斯格明子元激發(fā)的理論與實驗研究中取得進(jìn)展，提出“拓?fù)淇藸栃?yīng)”的概念。

斯格明子的概念起源于粒子物理，被廣泛應(yīng)用于描述凝聚態(tài)磁性材料中一類獨特的拓?fù)湓ぐl(fā)，其自旋在實空間以旋渦狀或環(huán)狀排列，整體具有非平庸拓?fù)涮匦裕沙蔀樾乱淮糯鎯斑壿嬈骷男畔⑤d體。對于斯格明子的表征，常借助電學(xué)測量中的拓?fù)浠魻栃?yīng)作為其存在的有力判據(jù)之一，但電學(xué)測量僅適用于金屬體系。隨著拓?fù)浯判圆牧系挠行卣?，斯格明子領(lǐng)域迫切需要發(fā)展適用于更多體系的表征手段，如針對非金屬體系斯格明子的表征。??

2017年，科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)了二維鐵磁材料CrI₃和CrGeTe₃。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊通過第一性原理計算預(yù)言了一類與CrI₃同構(gòu)、但具有非平庸拓?fù)潆娮討B(tài)的新型二維鐵磁性材料CrMX₆（M=Mn, V; X=I, Br）。此次，研究團(tuán)隊利用化學(xué)氣相輸運法合成了高質(zhì)量二維CrVI₆單晶，依托SHMFF的低溫磁場顯微光學(xué)系統(tǒng)，開展了高精度微區(qū)磁光克爾效應(yīng)研究，確認(rèn)了薄層CrVI₆材料亦具有鐵磁基態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，在特定的厚度范圍、溫度區(qū)間內(nèi)，磁光克爾回線的磁化反轉(zhuǎn)區(qū)出現(xiàn)了兩個反對稱的貓耳狀“凸起”。該特征與塊體的M-H磁滯回線完全不同，卻與典型磁斯格明子體系中的電學(xué)拓?fù)浠魻栃?yīng)高度相似。 ?

進(jìn)一步理論分析表明，兩種磁性原子Cr與V的共存會導(dǎo)致中心反演對稱性破缺，在自旋軌道耦合作用下誘導(dǎo)出很強的Dzyaloshinskii–Moriya交換作用，從而具備產(chǎn)生拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)——斯格明子的前提條件。研究團(tuán)隊通過原子尺度的磁動力學(xué)模擬和理論計算，揭示出斯格明子的“拓?fù)浜伞睂τ诠怆妶鱿聜鲗?dǎo)電子的散射是光學(xué)克爾角在磁翻轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)“凸起”信號的微觀原因。研究人員通過磁力顯微鏡成像實驗，觀察到CrVI₆中帶狀磁結(jié)構(gòu)演化為點狀磁結(jié)構(gòu)的磁場與磁光克爾“凸起”對應(yīng)的磁場一致，進(jìn)一步佐證了該光學(xué)克爾信號的拓?fù)鋵傩浴??

基于上述結(jié)果，合作團(tuán)隊凝練了“拓?fù)淇藸栃?yīng)”這一核心概念，基于這一概念提出了利用光學(xué)手段開展拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)無損/非侵入式探測的新方案。該方案基于交變光電場，在直流電學(xué)“拓?fù)浠魻栃?yīng)”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步放寬了對材料導(dǎo)電性的要求，拓寬了應(yīng)用范圍。強磁場光譜學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢使得這一方案可以對斯格明子和其他拓?fù)湓ぐl(fā)開展空間分辨、無損、非接觸式探測，為揭示拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的微觀機(jī)理奠定了物理基礎(chǔ)、提供了表征手段。 ?

相關(guān)成果發(fā)表在《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃等的支持。

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